（光学工程专业论文）轿车空气动力学数值模拟及优化.pdf

摘要 由于高公路的发展、汽车车速的提高对汽车的操纵稳定性、安全性、舒 适性提出了越来越高的要求，特别是由于世界能源危机，石油价格上涨，使 改善汽车的燃料经济性成为汽车技术的重要课题。汽车空气动力特性对汽车 的动力性、经济性和操纵稳定性有直接的影响。设计空气动力特性良好的汽 车，是提高汽车动力性、经济性以及高速下的稳定性的重要途径。 风洞是传统的汽车空气动力特性的研究方法，它投资大、试验周期长， 存在堵塞效应、地面效应等问题，且不能详细了解车辆外部流速、压力等参 数的分布情况。所以仅采用风洞试验和路面测试技术研究汽车空气动力学， 已不能满足更快速开发出更经济、安全、舒适的汽车的需要 随着计算机和计算机技术的迅速发展而蓬勃兴起的数值模拟方法为汽 车空气动力性的研究开辟了新的途径。近年来，汽车空力学数值模拟发展迅 速，其重要性也不断增加，应用范围不断扩大。在早期车型的开发中，应用 数值模拟可为车身气动外形的初选提供依据，能方便、直观地了解汽车各部 分的空气动力学状况以及尾部涡区结构及分布情况，初步计算出整车的气动 阻力系数，为进一步细化设计提供依据，大大缩短了整车的开发周期，并节 省了财力。而且，用数值模拟技术研究汽车流场对流体运动的认识在某种意 义上比试验更深刻、更细致，不仅可以了解运动的结果，而且可以了解整体 的与局部的细致过程，因此越来越得到人们的重视。人，卢7 、一 本文对项目轿车车身运用c f d 软件f l u e n t 进行了数值模拟，并对结果 进行了分析和优化。在汽车空气动力学数值模拟的实用化方面做了一些有益 的尝试。 【关键词】 轿车车身：车身设计? c f d数值模拟j 专警瓣，赢鼢i _ ：) ：毒l a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fh i g h w a ya n dt h ei n c r e a s i n go fv e h i c l ev e l o c i t y , t h e r e q u i r eo f c o n t r o ls t a b i l i t y 、s e c u r i t y a n di n i a a b i t e dc o m f o r ta r eh j a h e rt h a nb e f o r e e s p e c i a l l yw i t ht h el a k eo f w o r de n e r g ys o u r c ea n dt h ei n c r e a s i n go fo i lp r i c e h o wt oi m p r o v e 廿1 ee c o n o m i cc h a r a c t e rt u r n st ot h em o s ti m p o r t a n ta r t i c l e t h e v e h i c l e s a e r o d y n a m i cc h a r a c t e rd i r e c t l y a f f e c t st h ed y n a m i c 、e c o n o m i ca n d c o n t r o ls t a b i l i t yc h a r a c t e r s s od e s i g nt h ev e h i c l ew i t hb e t t e ra e r o d y n a m i ci st h e k e y t oa l lo f t h ep r o b l e m sa b o v e w i n dt u n n e li st h et r a d i t i o n a lm e t h o do fa e r o d y n a m i cr e s e a r c ho fv e h i c l e ， w h i c hi sn o ts u i tt od e v e l o pt h ef a s t e r 、s a f e r 、m o r ec o m f o r t a b l ea n de c o n o m i c a l v e h i c l e ，b e c a u s el o n gr e s e a r c hp e r i o da n dm u c hm o n e yi sn e e d e d ，a n dt h e r ea r e j a me f f e c t 、r o a de f f e c t f u r t h e rm o r e ，t h ew i n dt u n n e lm e t h o dc a nn o tg i v et h e v e l o c i t yo f t h ef l o w a n dt r e s sd i s t r i b u t i n go f t h ev e h i c l e t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o np r o v i d e san e wt o o lt ot h ea e r o d y n a m i cr e s e a r c h o ft h ev e h i c l e ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n dc o m p u t et e c h n o l o g y o f l a t e ry e a r s ，t h ei m p o r t a n c ea n dt h eu s i n gf i e l do fn u m e r i c a ls i m u l a t i o na r e r a p i d l y i n c r e a s i n g d u r i n gt h ep r o p h a s eo fv e h i c l ed e s i g n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o nc a n c o n v e n i e n t l y a n d v i s u a l l yg i v e t h e a e r o d y n a m i c s i t u a t i o no fe v e r y p a r t s ， a p p r o x i m a t e l yg i v et h er e s i s t a n c eq u o t i e t y ( c d ) ，p r e p a r e sf o rt h en e x td e s i g no f t h ed e t a i l ，w h i c h g r e a t l yr e d u c e t h e p e r i o da n dm o n e y o f v e h i c l e d e v e l o p m e n t t h er e s u l to fc a t c u l a t i o na n do p t i m i z a t i o ni sd i s c u s s e di nt h ea r t i c l e w h i c h m a k es o m eu s e f u l a t t e m p t s i n a s p e c t o fp r a c t i c a l i t yo ft h ef l o wn u m e r i c a l s i m u l a t i o n k e yw o r d s c a rb o d y b o d y d e s i g n c f dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n 墓堡堡三查兰堡主堂垡迨苎 1 绪论 1 1 汽车空气动力学研究的重要性 汽车空气动力学是研究空气流经汽车时的流动规律及其与汽车相互作 用的一门科学。 汽车空气动力特性是汽车的重要性能，它是指汽车在流场中所受到的以 阻力为主的包括升力、侧向力的三个气动力及其相应的力矩( 即六分力) 的 作用而产生的车身外部和内部的气流特性、侧风稳定性、气动噪声特性、泥 土、灰尘的附着和上卷、刮水器上浮以及发动机冷却、驾驶室内通风、空气 调节等特性。概括地说，汽车的流场包括车身外部流场和内部流场。 由于高等级公路的发展、汽车车速的提高对汽车的操纵稳定性、安全性、 舒适性提出了越来越高的要求，特别是由于世界能源危机，石油价格上涨， 使改善汽车的燃料经济性成为汽车技术的重要课题。汽车空气动力特性对汽 车的动力性、经济性和操纵稳定性有直接的影响。设计空气动力特性良好的 汽车，是提高汽车动力性、经济性的重要途径，而高速汽车的空气动力稳定 性是汽车高速、安全行驶的前提。改善驾驶室的内流特性( 发动机冷却系空 气动力特性、驾驶室内通风及空调特性) ；在减阻的同时，提高发动机、制 动器部件的效能；降低空气动力噪声，则是保障舒适性的前提。 本章仅对空气动力特性与汽车动力性、经济性以及操纵稳定性的关系进 行简要分析。 1 1 1 汽车空气动力特性对动力性的影响 汽车的最高车速、加速时间和最大爬坡度是评价汽车动力性的主要指 标。 1 ) 气动阻力与最大车速 在水平路面上等速行驶的汽车，驱动力全部用来克服滚动阻力和气动阻 力。假设汽车前后车轮的滚动阻力相同、汽车的重力和气动升力均匀地分布 在四个车轮上，汽车的最大车速可表示为 武汉理工大学硕士学位论文 = 赫 ； 式中 v 。一最高车速； ，眦一最大驱动力； g 一车重； 厂一滚动阻力系数； p 一空气密度； 彳 一汽车正面投影面积； c 。一汽车气动阻力系数； c ，一汽车气动升力系数。 “ 可见在最大驱动力， 蚴时，在一定：。 的车重g 及其他因素不变的情况下，最薯? 高车速v 。取决于气动阻力系数c 。和? 洲 气动升力系数c ，。减小气动阻力系数， o 、 可使最高车速提高。由于升力对汽车操” 纵稳定性的影响，不能简单地用增大。 c 。来分析对v 。的影响。 2 ) 气动阻力与汽车加速度。 汽车的加速度可表示为 尘：鱼! ! ! ! 笙 西 西6 y + p 4 v ： 式中! 擎一发动机功率随时间的增长率 讲 k 、 、 霉 j f 、 i。 、 ，歌一。纠， 图( 1 一1 ) 气动阻力占总阻力的比例 ( 1 2 ) 一车速； 彬- 汽车传动系效率。 由上式可见汽车的加速能力首先取决于发动机的加速特性，同时还与汽 车的气动阻力系数c 。近似成反比关系，减小汽车的气动阻力，就可增加汽 车的加速度。 武汉理工大学硕士学位论文 气动阻力增加，会导致加速能力下降，当汽车达到最大速度v 。时，其 加速度的值就降低为零。 1 1 2 汽车空气动力特性对经济性的影响 ( 1 ) 气动阻力占总阻力的比例 行驶汽车的总阻力r 可表达为 1 t = 妄p u 2 a c 。+ 2 ( g f l f ) ；+ 2 ( 6 月一三月) j ( 1 3 ) 二 1 式中f = 妄p u 2 a c d 一气动阻力； 二 2 ( g ，一l f ) 厶+ 2 ( g 。- l 。) 厶 一总的滚动阻力； g ，、g 。一作用在前、后轴上的汽车重力分配值s 三，、上。 作用在前、后轴上的气动升力 厶，厶一前后轮胎的滚动阻力系数。 图( 1 1 ) 为气动阻力占总阻力的比例。图中表明，大约在车速v = 6 0 k m h 时，气动阻力与滚动阻力几乎相等；但当v = 1 5 0 k m l h 时，气动阻力 相当于滚动阻力的2 3 倍。 ( 2 ) 消耗于气动阻力的功率 汽车的气动阻力是由发动机产生的牵引力克服的。消耗于克服气动阻力 的功率是发动机所作的功中相当大的一 部分，因此气动阻力直接影响到所需的功 率，这一点可用燃料消耗量来表示。 消耗于气动阻力的功率为 n ：上，l c 。p v 3 a ( 1 - 4 ) 1 1 上 可见，消耗于气动阻力的功率与 速度的三次方成正比，图( 1 2 ) 为消耗于 气动阻力的功率。 ( 3 ) 气动阻力与燃料消耗量 鬻美螽黎 i r3 24 8 g o 节遵p + f k m m ) 图( 1 2 ) 消耗与气动阻力的功率 茎堡堡三查堂堡主堂焦堡苎 图( 1 3 1 为各种 车辆的每1 0 0 k m 的燃料消耗量。小 型客车用于克服 气动阻力的燃油 消耗量为5 0 左 右，比例最大，其 次是普通货车，占 3 2 左右。 有资料表明： 通过对国产轿车、 小公共汽车和载 货汽车的降低气 动阻力的研究。国 o2 04 06 0o2 04 06 08 0t 0 0 燃料消耗h 聃o o l c n l )备矾力所占朐托溅 l 空气阻匀 豳灌动鳓舞 亡 稚建飘匀翱耨坡阻力 图( 1 - 3 ) 各种汽车每1 0 0 k i n 的燃料消耗量 产汽车降低气动阻力大有潜力。通过空气动力特性的改进，红旗c a 7 7 4 轿 车气动阻力系数可从0 4 2 降到o 2 5 ，对燃料经济性的改善是极其可观的。例 如，轿车c 。从0 4 2 降到o 3 0 ，在混合循环时，燃料经济性可改善9 左右， 而当以l5 0 k m h 匀速行驶时，燃料经济性竟能改善2 5 左右。 1 1 3 汽车空气动力特性对操纵稳定性的影响 ( 1 ) 升力与纵倾力矩对操纵稳定性的影响 升力和纵倾力矩都将减小汽车的附着力，因而使转向轮失去转向力，使 驱动轮失去牵引力，影响汽车的操纵稳定性。 质量轻的汽车，特别是重心靠后的汽车，对前轮的升力特别敏感。这个 情况对行驶中的汽车非常危险，即当前轮有升力使汽车上浮时，升力又随着 车速的增加而继续增加，由于前轮失去附着力而使汽车失去控制。升力和俯 仰力矩对于高速行驶汽车的操纵稳定性影响很大，对于轿车来说，如果在设 计阶段没有充分考虑升力的问题，升力在强风时可达几百甚至几千n 。这一 附加的力使前轮减轻了负荷，从而破坏了汽车的操纵性：减少了后轮负荷， 使驱动力减小。产生的升力与侧向力的合力具有两次曲线式的增加趋势，对 4 堕堡里三查兰堡主堂堡鲨苎 侧风稳定性的影响很大。 为提高车辆高速行驶的直进性和侧风稳定性，应减小升力。升力减小可 防止汽车的摆头，并由于增大了附着力而使稳定性提高。 ( 2 ) 侧向力及横摆力矩对操纵稳定性的影响 当汽车受到非正迎面风时，气流的合成相对速度与x 轴成产角，在y 轴 方向受到了侧向力s 。如果侧向力的作用点与坐标原点有一个距离( 其值随 车身形状和横摆角而变化) 即产生了绕z 轴回转的横摆力矩。如果侧向力 的合力通过侧向反作用力中心，车辆将保持直线行驶，但相对原行驶方向会 有偏移。如果侧向力的合力作用在侧向反作用力中一t l , 以前时，车辆将顺着风 的方向转向，并且产生横摆力矩，使车辆向着风的方向摆动，造成稳定性恶 化。 为提高汽车的方向稳定性，不仅要减少侧向力，而且应使侧向力的作用 点移向车身后方。 ( 3 ) 侧倾力矩对操纵稳定性的影响 由于来自车身侧面及其周围气流的影响，产生了绕x 轴的侧倾力矩。这 个力矩通过悬挂系统至车架及左右车轮，引起了车轮负荷的变化。对应于力 矩回转的方向，使一个车轮负荷增加，另一个车轮负荷减少，从而就改变了 汽车的转向特性。 综上所述，在激烈的市场竞争中，汽车所面临的首要问题是向汽车空气 动力特性的挑战，因为只有空气动力特性好的汽车，才能保障其具有好的动 力性、经济性和操纵稳定性以及舒适性，只有最佳气动外形的造型才有生命 力；可以说，汽车空气动力特性是决定汽车在市场竞争中能否取胜的重要性 能。 1 。2 汽车空气动力学传统的研究方法 1 2 1 风洞试验实验的基本方法 风洞试验是传统的汽车空气动力学研究的重要方法和手段，其基本过程 可归纳为： ( 1 ) 将完成初期造型的多个缩尺模型方案，按空气动力学的基本要求进 行初期风洞试验，以用于选型；将选定的模型进行空气动力学修改后再进 墨堡望三奎兰堡主兰焦丝苎一 行风洞试验，如此反复多次优选直至定型。 ( 2 ) 按定型方案制成1 ：l 模型，并装上刮水器、后视镜等各种附件后 再进行风洞试验予以改进。 ( 3 ) 按改进后的模型制作样车，并完成最终的整车风洞试验。 1 2 2 风洞试验优缺点 风洞试验虽能较好地反映流场的实际情况但风洞建设投资大、试验周期 长，且存在堵塞效应、地面效应与车轮旋转效应模拟等问题，不能详细了解 车辆外部流速、压力等参数的分布情况。所以仅采用风洞试验和路面测试技 术研究汽车空气动力学，己不能满足更快速开发出更经济、安全、舒适的 汽车的需要。 1 2 3 风洞试验研究的地位 汽车风洞试验，是汽车空气动力学研究的重要手段，通过风洞试验可以 准确的反应汽车行驶状态时的空气动力特性数据。世界上许多国家不惜花费 巨资建成了大量的全尺寸、全天候、实车环境风洞及模型风洞，以其作为开 发高性能汽车的重要手段，目前世界汽车专用风洞不下千座，但许多国家仍 感到试验设备和能力不足，还在不断地建设新风洞，与此同时，汽车风洞试 验技术也在不断完善。 1 3 汽车空气动力学的现代研究方法 计算汽车空气动力学( 汽车流场的数值模拟) 是计算机流体力学( c f d ) 在 汽车工程领域的具体表现。 1 3 1 c f d 的概况 计算流体力学随着计算机以及计算机技术的发展而发展，并逐步形成一 门独立学科。计算流体力学的兴起促进了实验研究和理论分析方法的发展， 为简化流动模型的建立提供了更多的依据，使很多研究方法得到发展和完 善。更重要的是使计算流体力学采用独特的研究方法( 数值模拟法) 研究流体 运动的基本物理特性。这种方法的特点如下：( 1 ) 给出流体运动的离散解，而 不是解析解；( 2 ) 它的发展与计算机技术的发展息息相关。这是因为可能模拟 6 武汉理工大学硕士学位论文 _ _ _ _ _ - _ _ _ p - _ h _ - - _ _ 一一 的流体运动的复杂程度、解决问题的广度和所能模拟的物理长度以及所给出 的解的精度都与计算机的速度、内存以及图形输出的能力直接相关：( 3 ) 若物 理问题的数学提法( 包括数学方程以及相应的边界条件) 都是正确的，这可以 在较广泛的流动参数( 雷诺数、物体运动速度等) 范围内研究流体力学，且能 给出流场参数的定量结果。 计算机流体力学在汽车工程上的运用始于2 0 世纪6 0 年代。今天，c f d 技术已在广泛运用汽车工程领域。 1 3 2c f d 进行数值模拟的优点 1 ) 数值模拟方法快。它不需要设计模型和加工模型的周期。对于已有的 通用计算程序，只改变初始数据，就可随时得到流场特性及效果，从而节省 时间； 2 ) 数值模拟方法可节省大型实验而花费的巨大财力、人力和物力。而且 可在新车设计初期的造型阶段进行空气动力性能及其它有关性能预测，为选 型及造型修改提供依据。从而可以较早地得到较理想的产品，并较早地避免 产品缺陷。这对于新型车抢占市场是极其重要的； 3 ) 数值模拟方法应用范围广，不像实验那样受风洞边界条件的影响和湍 流、风速、风向、雷诺数等的影响和限制。还可避免风洞试验时的支架干扰、 模型弹性变形等技术问题以及道路试验条件、交通状况的影响； 4 ) 数值模拟机动性大。可以根据计算机终端的设置而随时改变更换算 题，试验方法却要受到准备周期的制约； 5 ) 数值模拟便于解决许多实际问题，而理论分析只能解决比较简单的问 题： 6 ) 数值模拟可以计算用试验方法难以测量的场合，如细微湍流结构。它 还可以研究不可能进行试验的场合，如汽车同向近距离行驶及对开时的气动 干扰问题。 1 3 3 数值方法所存在的缺陷及其应用地位 数值模拟也存在一些缺点，如因没有完全搞清楚湍流等流态特性，对有 些问题还没有普遍适用的数学模型。在数值计算上收敛性和精度有待改进。 另外，r a n s ( r e g n o l d sa v e r a g e dn a v i e ls t o k e s ) 代码中包含了经验的输人 7 武汉理工大学硕士学位论文 _ - 一一 参数、截断误差、网络相关近似、湍流模型等因素，数值模拟结果与试验结 果存在着差异。因此，数值计算不能完全替代试验。试验结果对于校正c f d 方法和检验c f d 结果是非常必要的 1 3 4 国内外c f d 的发展状况 国外汽车公司为了缩短轿车开发周期，投入了大量的人力和物力进行计 算机空气动力学软件的开发。国内在这方面的起步较晚，但也作了不少工作， 但还没有完整的商业软件。下面介绍几种软件： ( 1 ) s t a r - c d 该软件是由福特公司开发的。它的计算结果表明，在车身底部、车身前部 和地板上的中心线压力分布对所有车型的试验结果很相似。尾流结构对许多 车型也较符合。阻力、升力和俯仰力矩趋于试验测量值。然而，尽管计算网 格分布得很好，但计算的c 。值高于测量值。它也没有摆脱c f d 对折背式车 型的尾灯处分离和车顶再附着模拟不真实的弱点。 ( 2 ) f i d a p 以折背式车型的无车轮模型为例来介绍有关f i d a p 的情况。几何尺寸 为模型的c a d 数据。用i c e m c f d 网格生成程序的m u l c a d 模块来生成 三种不同的8 节点六面体网格a 、b 、c 。网格a 是汽车表面附近相对简单 的局部分布，单元数为1 9 87 4 2 个，节点数为2 10 4 6 8 个。用i c e m c f d 软 件包中的m u c a d 模块生成网格需要三天。网格b 是网格a 的简单细化， 它在网格a 的基础上细化要花费3h 。网格c 则是更为复杂的分布，生成网 格需要六天( 所用计算机为6 4 m 内存s g i i n d i g o 工作站) 。f i d a p 采用两层 有限元模型的标准a e 模型。下面是关于不同的网格在不同平台上的计算 情况： 采用网格a 在i b m r s 6 0 0 0 5 6 0 上计算占最小时内存为1 5 0 m ，迭代数 为1 9 3 ，每次迭代最少c p u 为2 5 m i n 。采用网格b 在计算机i b m r s 6 0 0 0 5 9 0 上占最小内存为3 1 5 m ，迭代数为3 0 0 ，每次迭代最少为2 5 r a i n ；采用网 格c 在计算机c r a y l 9 0 0 上占最小内存为6 0 0 m ，迭代数为3 5 0 ，每次迭代 最少为l o m i n 。 计算结果，网格c 比网格a 、b 能更好地模拟整车的气流分离情况。但 茎堡堡三奎兰竺主兰垡笙奎 它的湍流模型仍没有完全捕捉到主涡流对。 另外还有a e at e c h n o l o g y 的c f x 4 和通用公司的g m t e c 等软件。其 中c f x 4 软件采用多种湍流模型( 一5 湍流模型、低雷诺数k s 湍流模型、 r n gk 一占湍流模型) ，它能成功地模拟汽车后视镜、车轮轮罩、车身底部的 真实流态。它还有完整的前处理和后处理模块，是一个比较成功的c f d 商 业性软件。 国内尽管在这方面起步较晚，但也有不少人在这方面进行了探索，国内 有人在计算汽车空气动力学方面的研究中，用有限差分法、有限元法、有限 体积法在二维和三维模型上进行了摸索。以及一汽集团公司和气动中心计算 所合作，共同开发轿车气动力计算软件，据有关文献介绍，该软件基本可以 应用于实际中。汽车空气动力学发展到今天已取得了很大成就，但无论从理 论还是试验及数值模拟方面都存在着难题，如转捩点的判断、气流分离的判 断、附面层的处理、发动机冷却系的阻力测量、湍流模型的选取及研究等难 题。而且这几方面问题中的任一个的解决都有助于其他问题的解决。只有将 汽车空气动力学的理论、试验和数值模拟这几方面结合起来，才能推动汽车 空气动学的进一步发展。 计算机模拟仿真的兴起促进了汽车空气动力学研究的发展，改变了汽车 空气动力学性能设计和评价的状况，大量的模拟仿真结果已有效的应用于汽 车设计中 我国轿车工业正在蓬勃发展，制约轿车自主开发的主要“瓶颈”之一就 在于车身工业中的车身造型和空气动力学研究。尽管我国在这方面的研究起 步较晚，但计算机模拟仿真为我们提供了一个在该领域快速赶上发达国家的 研究水平的新的契机。 9 2 汽车空气动力学理论概述 2 1 空气动力学基本原理 汽车空气动力学是以空气动力学为基本理论的一门科学，他借助空气动 力学的理论来分析汽车周围的流场，研究作用在汽车上的气动力和力矩，并 运用空气动力学研究的成果来改善汽车的造型，提高汽车的性能。因而有必 要探讨空气动力学的基本原理。 2 1 1 理想流体和不可压缩流体 流体就是可以流动的物质，他和自然界的所有物质一样是有分子构成。 而由于分子之间的吸引和不规则运动，流体在流动状态下呈现出粘性，实际 上所有的流体都具有粘性。但是在很多情况下粘性对流体的粘性影响不大， 可以忽略，为了讨论问题的简单起见而不考虑流体的粘性，这种假想不具有 粘性的流体我们称之为理想流体。例如水和空气绕物体流动时，若速度不太 大，温度变化很小时，可以作为理想流体处理。 另外，由于流体有分子构成，分子和分子问有缝隙存在，故他们又是可 压缩的。当压强和温度变化时，它们的体积也要发生变化，密度也随之变化。 而这种变化势必使问题变得复杂，所以许爹睛况下，当压强和温度变化不大 时，往往忽略其变化，作为不可压缩的流体来处理，不可压缩的流体密度为 常数。 2 1 2 定常流、非定常流 流体力学中把充满流动流体的空间叫做流场，若流场中任何一点的流动 参数均不随时间变化，则这种流动称为定常流，否则为非定常流。在定常流 的流场中，流动参数只是空间坐标的函数，和时间无关。例如在风洞中进行 的气动力试验，就是个定常流的流场。由于定常流参数与时间无关，所以 在流动的数值模拟和试验中一般将有关的问题简化为定常流来处理。 2 1 3 流体的连续向方程和伯努里方程 0 茎堡望三盔兰堡主兰垡笙塞 连续性方程和伯努里方程是流体力学中的基本方程，它们分别表示两过 流断面上的流动参数之间的关系和能量转换的关系。 ( 1 1 连续性方程 如图f 2 1 ) 所示，当流体在变截面中流动时，如果是定常流，则管道的任 意截面1 2 之问的流涕质量不变，即： p l v , a 1 = p 2 a 2 = c l ( 2 - 1 ) 式中： p 。、p ：一1 、2 截面上的平均密度 k 、砭l 、2 截面上的平均流速 4 、a ：一1 、2 截面上的截面积 c 一常数 若流体是不可压缩的则p 。= p ：= 常数，式( 2 1 ) 可以表示为： v , a 1 = v ：a 2 = c 2( 2 - 2 ) 式中：c ：一常数 图( 2 1 ) 流体在变截面管中的流动 ( 2 ) 伯努里方程 流体力学中将与流体的质量成正比的力称为质量力或者是体积力。重力 场中就称为质量力，当忽略质量力的力项不可压缩流体作定常流动时，流体 流动的速度和压强也存在一定的关系，可用伯努里方程来描述： p + p 矿2 = r l l ( 2 - 3 ) 武汉理工大学硕士学位论文 - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - 一 一 式中：尸一流体静压力 v 一流体流动的速度 p o 一总压 若将该方程用到图( 2 1 ) 所示的两个截面上，可表示为： 鼻+ 号p _ 2 = 最+ p v ( 2 4 ) 式中尸为流体的静压力， p y 2 为流体的动压力，( 2 3 ) 表征了：当埋想 不可压缩流体作定常流动并忽略质量力时，在流动过程中总压即静压和动压 之和保持不变。同时p 也是单位体积流体所具有的压力能， p 矿2 是单位体 积流体的动能，两项之和为单位体积流体的总机械能，因而式( 2 3 ) 也表征了： 忽略质量力的理想不可压缩流体作定常流动时，在流场中任一点上单位体积 流体总机械能为常数，即能量是守恒的。由式( 2 3 ) 可知：在流速高动能大的 地方，压力能必然减小，反之，在流速低动能小的地方，压力能必然增大。 2 1 4 边界层及其分离现象 当立体粘性很小流速很大时，惯性力比粘性力大得多，这是雷诺数 一瞬牡 h r 。= 兰譬之很大，处理这类问题时往往忽略粘性力而只考虑惯性力，使问 柏1 王；习 题得到简化。但当流体以较大的雷诺数流经物体时，在物体的壁面附近产生 一个速度变化很快的薄层，并沿壁面的法线方向很快达到来流速度的数量 级，在这种情况下，虽然流体的粘性很小，在壁面法向方向上却存在很大的 速度梯度，从而表现出很大的粘性剪切力，并和惯性力具有相同的数量级， 因此必须同时考虑粘性力和惯性力。在r 。 1 的情况下，流体绕物体时，在 物体壁面附近，受流体粘性影响显著的薄层，成为边界层，也叫附面层。 由前述可知，当粘性不可压缩流体过平板时，在边界层的边界上沿x 方 向的速度n 不发生变化，由伯努里方程可知其压强也不变化。但当粘性流体 流经曲面物体时，边界层上沿x 方向的速度以要发生变化，故压强也是变化 的，边界层也随着变化，这将对边界层内部的流动产生重要的影响。 亟堡墨三盔堂堡主堂篁堡茎一 图( 2 - 2 ) 边界层分离示意图 图( 2 2 ) 显示的是边界层的分离现象，气流经过曲面最高点m 之前，流 体绕过驻点之后流动速度将逐渐增加根据伯努里方程，压强逐渐下降，这 过程是一个降压加速的过程，在m 点速度达到。，而压强降为p m 一在m 点之后，开始减速增压，速度不断降低，压强不断增加，使这一过程为减速 增压过程。由于出现这一流动机制，就决定了边界层有发生分离的可能。 当粘性流体流过曲面时，边界层内的流体质点由于受到粘性力的阻滞而 不断损失动能，逐渐减速，越靠近壁面阻滞越严重。在降压加速段，由于流 体部分压力能转化为动能，虽然流体质点受到阻滞，但仍有足够的动能维持 其加速前进。但是在m 点之后的减速增压段，动能不仅部分地用来克服粘 性力造成的阻滞，还要不断地转化为压力能，使动能消耗加快，流速迅速降 低，从而使边界层不断增厚。当流动到曲面上某一点s 时，壁面上的流体质 点的动能全部耗尽。这些质点在s 点滞止下来，由于s 点上方的流体质点受 壁面的阻滞作用相对要小，动能消耗慢，还有足够的动能来维持向下游的流 动，而继续减速增压，从而使s 点下游的压强大于s 点的压强，形成反向的 压强差，在这个压强差的作用产生逆流，逆流排挤主流使之脱离壁面，就形 成了边界层的分离。 这现象，在表面形状很复杂的轿车外围流场中非常常见，形成了轿车 空气动力特性的主要特点。 2 2 作用在汽车上的作用力与力矩 二 茎堡墨三盔堂堡主堂堡丝塞 一 作用于运动汽车上的气动力和力矩( 如图2 - 1 ) ，分别相互垂直成直角的 三个力和绕轴的力矩。图2 2 所示坐标系中，坐标原点在前、后轴中心的地 面上，x 、y 轴表示路面。在对称流( 横摆角b = o ) 时，阻力d 和升力l 同 时存在，另外还有纵倾力矩p ( 对y 轴) 三个分量d 、l 、p 完全决定了产生 气动力的矢 圈( 2 - 3 l 气动力和力矩 量。已知的重心位置，常被作为纵倾力矩的参考点。在右侧风的情况下，汽 车的绕流是一个不对称的流场。在这种情况下，除了上述力与力矩外，汽车 还受到侧向力s 的作用，另外，他还受到绕纵向轴( x 轴) 的侧倾力矩y m 及绕垂直轴( z 轴) 的横摆力矩r m 的作用。因此由六分量l 、d 、s 和p m 、 r m 、y m 决定了总的气动力矢量。 图2 3 中个参数的物理意义是： v 。合成气流相对速度， v 。= v ，2 + v ：( 2 5 ) v 。纵向气流相对速度： v 。侧向气流相对速度： 一横摆角，= a r c t g ( v s v f ) ； d 一车身纵向启动阻力( z 轴) ； s 一车身侧向启动阻力( y 轴) ； ，车身垂直方向的气动阻力( z 轴) p m 纵倾力矩( 绕y 轴) ； 删一侧倾力矩( 绕x 轴) ； 武汉理工大学硕士学位论文 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - 一一 y m 一横摆力矩( 绕z 轴) ； 口轴距。 汽车的气动力、力矩和正面投影面积a 、气流动压力q = 了1 尸r 。2 、轴距a 的关系如表2 1 所示。 表2 - 1 气动力和力矩及其系数 力和力矩系数 横摆力矩= 0 时车身纵向作用气动 阻力系数c 。2 丽d 甄力d 垂直于路面的升力三 升力系数c z5 了瓦考i 垂直于车身对称面( x 、y ) 的测向力s 侧向力系数c s3 历s 五 绕y 轴的纵倾力矩p m 纵倾力矩系数c 删= 赤 绕x 轴的纵倾力矩r i f t 纵倾力矩系数c w2 赤 绕z 轴的纵倾力矩y m 纵倾力矩系数= 赤 2 2 1 气动阻力 气动阻力d 是与汽车运动方向相反的空气力，d = q c o 彳2 。气动阻力d 取决于正投影面积一和气动阻力系数c 。，而汽车外形的气动力特性由气动 阻力系数c 。来描述。通常正面投影面积取决于汽车的外形尺寸，这是由设 计需要决定的，因此减小气动阻力的因素就集中在减小气动阻力系数上。 对于气动阻力系数c 。= 0 4 5 的汽车，其基本形状阻力约占6 0 ；而g o 4 5 的汽车，其形状阻力将不同程度降低。不同车型的气动阻力系数范围 大致如下： 小型运动车c 。= 0 2 3 o 4 5 小型轿车c 。- - - - 0 3 5 0 5 5 载货汽车 c o = o 4 0 0 6 0 公共汽车c 。= 0 5 0 o 8 0 目前世界轿车的平均气动阻力已降到o 3 5 o 4 0 ，一些先进气动布局的轿 武汉理工大学硕士学位论文 车的气动阻力系数已达到0 1 5 0 2 0 。 当汽车受侧风作用时，气动阻力系数有增大趋势。表2 2 列出的是各种 汽车的气动阻力系数的横摆角特性。 表2 - 2 各类汽车气动阻力系教的横摆茼特性 汽车种类 d c d 揶 赛车0 0 0 1 0 0 0 2 轿车0 0 0 2 0 0 0 4 载货汽车0 0 0 5 0 0 0 8 公其汽车0 0 1 0 0 0 1 5 2 2 2 气动升力及纵倾力矩 由于汽车车身上部和下部气流流速不同，使车身上部和下部形成压力差， 从而产生纵倾力矩。 在侧风作用下的轻型高速汽车，车身前不可能有较大的局部升力，汽车 进风口处的冷却气流会使流过车身的气流发生明显的变化，导致对升力的影 响。作用在汽车上的空气，有3 5 4 0 在车身上部流过，1 0 1 5 在下面流 过，2 5 在侧面流过，所以减小车身上下的压力差，使大量气流流经侧面， 可以减小升力。使底板下部流线型化，压低发动机罩前端，减缓前风窗倾角， 都可以减小前端升力。 2 2 3 侧向力及横摆力矩 汽车由于受到侧向力的作用而影响其行驶的直进性。为了保证汽车的行 驶稳定性，在减小侧倾力的同时，还应使侧倾力的作用点即风压中心移向汽 车蘑心之后。而风压中心后移，又有实侧倾力增大的趋势，所以用尾翼使风 压中心后移，还应注意到其承受的侧倾力是很大的。 侧倾力和横摆力矩都影响汽车的行驶稳定性。在非对称气流中，横摆力 矩有使汽车绕z 轴转动的趋势，如果所产生的横摆力矩有减小横摆角的作 用，汽车具有稳定的气动功能，即： 矗r = 三警 0稳定 d b r = 二；警 0 不稳定 d o 图( 2 - 4 ) 列出了多种外形汽车侧倾力的横摆角特征。由图可见，流线形系 亟望望三盔堂堡圭堂焦笙苎一 数越大，侧倾力系数越小，并且侧倾力系数几乎与横摆角成比例增加。一般 长度较小、宽度较大、车身低矮的汽车空气动力稳定性较好。 ；，i 一。 古吉一譬一 猎攫争l 图( 2 4 ) 各种车身形状的前后轮负荷随横摆角币变化的状况 2 1 4 侧倾力矩 侧倾力矩对汽车左右车轮的重量分配有较大的影响，并且直接影响到汽 车的侧倾角。侧倾力矩主要是由车身侧面形状决定的，一般侧面流线型好的 汽车，侧倾力矩就相对的小。汽车的高度和宽度对侧倾力矩的影响较大，一 般低而宽的汽车侧倾力矩系数比高而狭长的汽车小。应尽量的使风压中心接 近侧倾轴线。 图( 2 5 ) 车身表面的压分布图 一， ； 口成 = = ：“ h 鼷 罾蓥一罾量一 茎堡堡三盔兰堡主堂堡笙苎 2 3 汽车的阻力特性 图( 2 - 5 ) 为某轿车的车身表面的压分布图。车身表面的压力系数用c ，表 示 c ：_ p 彳- p o( 2 - 6 ) ，2 再芦 。 式中p 一车身表面压力 p 。一大气压力。 车身表面的压力分布对轿车采暖、通风以及空调系统、发动机散热器的 冷却效果、雨中行车的密封性、风噪音等都有密切的关系。 2 3 1 阻力分类 行驶中的汽车受到的气动力是非常复杂的，如前小节所述，它可由平行 于x 、y 、z 各轴的力与绕各轴的力矩来表示。 气动阻力可分为外部阻力和内部阻力。 力 总的气动阻力 形阻d o诱导阻力d ， 发动机冷却系阻力 搦蛙空调阻力 汽车部件冷却阻 外部阻力系数c ：可表示为c l = c 风+ c n 式中c d 。一形阻系数 ( 一诱导阻力系数。 诱导阻力是升力的水平分力，它的计算基于无粘流，而形阻的计算，要 计入空气粘性的所有效应。车的外部阻力是由粘性效应和涡场所产生的，但 是由于粘性流域涡间的相互作用，这两种影响并不是象式( 2 - 1 ) 那样可以分开 的。 车身的前部由于受到气流的阻滞而产生压力，其合力指向车身的后方， 武汉理工大学硕士学位论文 而车身后部由于气流速度降低使压力回升，其合力指向汽车前方。理想的气 流是前后的压力平衡，但由于汽车尾部产生涡流而破坏了压力平衡，其结果 就是，前方的压力大于后方的压力，就产生了阻力。形阻主要取决于车车身 前方阻滞气流前进的压力和汽车尾部使压力恢复的压力差。汽车车身前部和 尾部形状不同时，由于其车身尾部分离区域大小不同，压力回升程度也不同。 图( 2 3 ) 表明了气动阻力成分及其随车尾倾角的变化，总阻力的8 5 为压差 阻力，1 5 为摩擦阻力。从图中可以看出9 的压差阻力来自车身前端，9 l 来自车身尾部。从气动阻力的机制看，它是有形组和涡阻构成的。涡阻占总 阻力的4 0 左右，它明显取决于尾流结构。 2 - 3 2 压差阻力和裹面摩擦阻力 压差阻力和摩擦阻力的本质来自粘性。绕流作用在车身表面，产生压力 场和切应力场，如果逆压梯度超过了一定的梯度，就会造成气流从车身表面 分离。当气流分离时，产生的压力分布于无粘性流不同，随着产生的附面层 厚度的增加，切应力减小，直至分离点减至零。 2 3 3 诱导阻力 诱导阻力是伴随升力而产生的阻力成分。表示为 r 1 2 c f = 二( 2 7 ) m 式中 c 。一诱导阻力系数 丑一长宽比( 总宽臆长) 口一修正系数 图( 2 - 6 ) 是不同外形的汽车的尾流流态图。在车身尾部的流动中，包含着 纵向的涡，它们是由车身顶部和底部的压力差所产生的，这个涡包含着一定 量的动能，它等于必须克服部分阻力的功，这部分阻力成为诱导阻力，所说 的涡场与汽车的总升力有关。 武汉理工大学硕士学位论文 彩彭 图( 2 - 6 ) 不同外形的汽车的尾流 在很多情况下，对一个给定的车改型时，可以发现阻力和升力有密切关， 即在改型过程中，降低阻力的任何一种措施也同时产生升力降低的效果，当 然也有升力反而增加的情况。图( 2 7 ) 为改变尾倾角对气动阻力系数及后轴升 力系数c 。影响的一个例子。 图( 2 - 6 ) 改变尾倾角对气动阻力系数及后轴升力系数c r 影晌 茎堡里三盔兰堡主兰垡堡茎一 3 汽车空气动力学数值理论概述 随着计算机和计算机技术的迅速发展而蓬勃兴起的数值模拟方法为汽 车空气动力性的研究开辟了新的途径。近年来，汽车空气动力学数值模拟发 展迅速，其重要性也不断增加，应用范围不断扩大。 3 1 汽车空气动力学数值模拟的内容及难点 3 1 1 研究内容及特点 空气运动规律的基础是质量守恒、动量守恒和能量守恒定律，可由欧拉、 n s ( n a v i e r s t o c k ) 等数学方程来描述。数值模拟的研究内容是采用数值计算 方法、通过计算机求解相应的数学方程组，研究汽车绕流的流动特性，给出 流动规律，为汽车车身设计提供科学依据。 数值模拟成为汽车空气动力学设计的一个基本工具的同时，也是实验研 究和理论分析的发展，为流动模型的简化提供了更多的依据，使面元法等许 多分析方法的得到发展和完善。同实验方法相比，数值模拟方法具有可预见 研究、不受条件限制、信息丰富、成本低、周期短等特点 在车身设计初期的造型阶段，数值模拟可以与计算机辅助造型设计交叉 进行，对汽车空气特性进行预测、分析和优化，为汽车选型和造型提供依据。 数值模拟可在较广泛的流动参数范围内研究汽车动力学问题，不受湍 流、风速、风向、气温、气压等物理参数的影响以及马赫数，雷诺数等的相 关参数的限制，且能给出流场参数的定量结果，不受物理模拟试验中存在的 洞壁干扰、风洞试验堵塞效应、支架干扰等的问题的影响，也不受道路试验 和交通状况的影响，可获得丰富的信息，有的甚至是目前试验难以测量和解 释的信息。例如：在研究侧风条件下瞬态启动特征对汽车操纵稳定性的影响 时，比风洞研究更有优势。 数值模拟还有助于风洞数据的修正研究。如果计算出不受扰流线型试验 段洞壁的形状，则可以减少至少2 0 的风洞堵塞率。 此外，要建立正确的数学物理模型还必须与实验研究和理论分析相结 合。分析实际问题时所求解的多维非线性方程组十分复杂，其数值解法的现 亟堡堡三查堂堡主堂垡堡奎 有数学理论基础尚不够充分，严格稳定性分析、误差估计和收敛性理论的发 展还跟不上数值模拟技术应用的进展。虽然关于广义解的唯一性、存在性等 问题